L’ebollizione senza bolle

Quando si pensa all’ebollizione, probabilmente si associa l’idea a un bel piatto di pasta cotto nell’acqua bollente, e non certo a un fenomeno che può diventare pericoloso. Eppure, in alcuni casi, il gorgoglìo e le bolle di liquidi in questa fase possono diventare rischiosi, per esempio in campo industriale possono provocare danni ed esplosioni. Per risolvere il problema, gli scienziati della King Abdullah University of Science and Technology in Arabia Saudita e della Northwestern University negli Stati Uniti hanno lavorato una speciale superficie che rende possibile ai liquidi a contatto con essa un comportamento curioso: quello di bollire senza fare bolle. Lo studio è pubblicato su Nature. 

Il meccanismo alla base del risultato è conosciuto già dal 1756, quando Johann Gottlob Leidenfrost, medico tedesco, si accorse che lasciando cadere delle gocce d’acqua su una superficie sufficientemente calda, si crea una sorta di film protettivo di vapore isolante intorno ad esse, che ne rallenta l’ebollizione. Questo particolare stato di aggregazione della materia, a metà tra liquido e gassoso, è detto appunto regime di Leidenfrost.

Questo fenomeno si osserva frequentemente, senza saperlo, anche nella vita quotidiana: basti pensare, per esempio, a quando si versa un po’ d’acqua su una padella per saggiarne la temperatura: se la superficie è abbastanza calda, le gocce non evaporano subito, ma cominciano a muoversi velocemente e impiegano un tempo maggiore a passare allo stato gassoso.

Tuttavia, il film protettivo di vapore rimane isolante solo al di sopra di una certa temperatura critica: quando la superficie calda viene raffreddata, la pellicola si rompe e il liquido comincia a gorgogliare. In questo caso, si dice che il sistema è passato in regime di ebollizione nucleata, in cui possono verificarsi pericolose esplosioni di vapore, soprattutto se avvengono all’interno di impianti industriali, o, ancora peggio, centrali nucleari.

Ma il collasso, a quanto scrivono gli autori del lavoro su Nature, può essere scongiurato. Se infatti la superficie a contatto con il liquido è costituita da un materiale ruvido e super-idrofobo, il vapore, anziché passare all’ebollizione nucleata in maniera esplosiva, si rilassa gradualmente. Ovvero, il film protettivo che si forma rimane integro anche quando la superficie si raffredda.

Per dimostrarlo, gli scienziati hanno provato a riscaldare (fino a 700°C) sfere di metallo da 20 mm di diametro e le hanno immerse in acqua mantenuta a temperatura ambiente, osservando quindi il comportamento del liquido. Quelle con superficie liscia e costituite da materiale idrofilo hanno dato luogo a un passaggio esplosivo dal regime di Leidenfrost all’ebollizione, mentre per le palline rivestite di una sostanza super-idrofobica e non levigata la transizione è stata decisamente meno turbolenta. Come se l’acqua bollisse senza fare bolle.

Il risultato dimostra che il passaggio di stato tra fase liquida e gassosa può essere controllato anche in condizioni particolari, scegliendo il giusto materiale. Ma non solo. “Il concetto – spiegano gli autori – potrebbe potenzialmente essere applicato anche in altri casi, per controllare passaggi di stato diversi, come la formazione di ghiaccio o di brina. Tutte queste conoscenze potrebbero essere sfruttate non solo per la creazione di rivestimenti di nuova generazione, ma anche per lo sviluppo di tecnologie più efficienti per lo scambio di energia termica, utili sia in campo civile che in quello industriale”.

Riferimenti e credits immagine: Nature doi:10.1038/nature11418